三元整体叶轮的五轴加工刀具轨迹规划论文.doc

南昌航空大学科技学院学士学位论文11前言1.1论文背景随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控(NC)加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。努力发展数控加工技术，并向高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺规划(CAPP)和计算机辅助制造(CAM)的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。与此同时，数控加工技术也成为发展军事工业的重要战略技术。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。美国与西方各国在高档数控机床与加工技术方面，一直对我国进行封锁限制。因为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引进了一批五坐标机床等高档数控设备，但其利用受到国外的监控和限制，不准用于军事用途的零件加工。这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。1.2选题背景叶轮机械广泛地用于能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业，在国民经济和国防事业中发挥着巨大作用。据原机械工业部统计资料表明，压缩机、鼓南昌航空大学科技学院学士学位论文2风机、通风机和水泵在各行业的装机容量占全国发电总量的三分之一叶轮机械是一个综合性很强的学科，涉及到气动、加工、强度、振动等方面，范围广，内容多。近几十年来，随着计算机及数值计算理论的发展，叶轮的设计理论取得了可喜的成绩。采用三元叶轮设计理论使得内部流动更加符合流体的实际流动过程，性能得到大幅度的提高。与之相适应，三元叶轮由于空间形状的复杂性以及对强度的高要求使其对加工制造提出了更高的要求。三元叶轮的叶片通常为复杂曲面，轮盘和轮盖为回转面，是一类几何特征明显，在生产实际中有一定代表性的零件。它的设计与制造相对于常规机械零件复杂得多。设计叶轮时，要对叶轮内部流动进行分析和控制，设计指标能否得到满足，需要制造环节来保证。如果制造技术薄弱，叶轮的整体性能必将受到影响。因此叶轮的设计与制造密不可分。随着制造业在全球范围内竞争的激烈，越来越多的制造企业装备了先进的多坐标数控机床，尤其是五坐标机床逐渐装备到企业中。五坐标机床功能强大、加工效率高、质量好，受到制造业内人士的青睐。由于五坐标机床刀具运动的复杂性，数控编程也较为困难。因此，复杂曲面的五坐标加工技术一直是数控加工领域内国内外学者的研究热点之一。根据叶片的几何形状，可将叶轮分为具有直纹面叶片的叶轮和具有任意曲面叶片的叶轮。对于曲面加工，最早是采用放样法，这种古老的方法速度慢，精度低，需要熟练的技工完成。采用毛坯铸造，叶片的厚度不能太薄，且精度很难保证，叶轮动平衡性能差。电火花加工技术也可用于叶轮的加工，但是其成本高。利用CAD/CAM技术，在数控机床上加工被认为是加工叶轮的最好方法。整体叶轮的数控加工离不开自动编程，在自动编程方面，整体叶轮的刀具路径的规划是个关键，刀具轨迹的生成能力直接决定数控编程系统的功能及所生成的加工程序质量。能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。因此，从我国叶轮数控加工的现状以及曲面数控加工的理论研究等方面来看，都有必要对叶轮以及复杂曲面的五坐标数控加工技术进行深入研究，以缩短我国叶轮数控加工、CAM软件开发技术与工业发达国家的差距，提高我国流体机械行业在国际市场的竟争能力。1.3文献综述叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，它在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业中均有广泛应用，如航空发动南昌航空大学科技学院学士学位论文3机上的整体叶轮、坦克发动机增压器叶轮、水泵及压缩机叶轮等。这类零件形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。传统的叶轮生产一般采用铸造成型后修光的方法，但是随着设计理论的发展如三元流技术等)，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，模具制造的难度比较大，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度难以保证，而且叶片的表面光洁度差，容易造成应力集中，产生气蚀，叶轮的动平衡性能差。此外，工人的劳动强度大，工作环境恶劣，生产周期长。随着透平机械的发展，叶轮的转速越来越高，铸造材料强度较低的弱点也日益显露出来，这就迫使人们开始考虑采用其他的方法加工叶轮。随着数控技术及计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术的发展，数控机床被广泛有效的用于叶轮加工中。用数控机床加工叶轮类等复杂曲面零件，传统的方法一般是在三坐标数控铣床上用球头刀采用行切法进行的，当毛坯为六面体时，可用平面分层加工方法；当毛坯为铸造或模锻件时，加工余量比较均匀，采用等距面分层加工方法。采用球头刀的优点是:球形表面法矢指向全空间，加工时对曲面法矢有自适应能力，可以减少机床运动周期；编程简单，计算量相对其他方法要少；并且只要使刀具半径小于曲面最小曲率半径便可避免干涉现象。然而，用球形刀具加工曲面存在缺陷，从几何上讲，它属于双参数球面族的包络，刀具与被加工曲面间为点接触，加工精度和效率都较低。此外，三坐标数控加工具有控制运动轴数小、编程简单、加工范围广等优点的同时也存在加工质量差、加工效率低、应用场合有限等致命缺点。而五轴联动机床可以采用非球头刀铣削加工，显著改善了切削状态，提高了进给速度，因而加工效率可明显提高，在质量和效率方面具有三轴加工无法比拟的优势，且可以采用球形刀、立铣刀、环形立铣刀等多种刀具，摆脱了刀具种类的限制，近年来叶轮类等自由曲面零件的多轴数控加工尤其是五轴加工理论和加工方法己成为该领域的研究热点。1989年G.w.vickers2教授将分别采用球形刀和立铣刀进行曲面加工的结果进行了比较，发现立铣刀能更好的与曲面的几何特性相匹配，因而可以减少走刀次数，切削效率高，且刀具使用寿命长。1994年，华中理工大学的全荣博士1研究了五坐标联动数控技术及其在汽轮机叶片砂带磨削加工中的应用，提出了用均匀双一次B样条曲面去逼近叶片型面，并计算出其刀位数据。1995年，刘雄伟3提出了圆柱形铣刀加工自由曲面的单点偏置法和双点偏置法，其基本原理是将刀具轴线选在曲面上比较平坦的方向，即法曲率绝南昌航空大学科技学院学士学位论文4对值最小的方向，并用二阶离差来计算拟合误差，为直纹面型叶轮的刀位规划奠定了基础。1997年，美国学者Yuan-ShinLee4对环形刀具加工自由曲面的局部干涉和全局干涉问题进行了较全面的析，并给出了无干涉刀位算法。同年，以色列学者GElber和美国犹太大学的R.Fish5提出了用直纹面片逼近自由曲面的方法，并将五轴数控机床线接触法可加工的曲面由凸曲面扩展到鞍形曲面而不产生干涉。1998年，Yuan-ShinLee运用椭圆偏置方法分析了圆柱形刀具粗加工直纹凹坑曲面的方法，使粗加工后的曲面更接近理论曲面，便于精加工的进行。2000年，西安交通大学的陈丽萍博士6将五坐标精加工侧铣刀具的刀轴矢量选在曲面的最小法曲率方向，通过调整刀轴使其与刀具表面上的切触曲线段平行的方法，得到刀具的刀心坐标和调整角。同年，上海交通大学的倪炎榕7等探讨了用圆环形的刀具加工复杂曲面的优化算法，该算法把曲面离散为点，从宏观范围考察瞬时刀位下刀具和型面的接触误差分布，并按宏观曲率吻合原则对刀位进行调整优化，实现了宽形线接触加工。多轴尤其是五轴数控加工理论的发展为整体叶轮的数控加工提供了可能。1.4论文的主要研究工作本论文以三元整体叶轮五轴数控加工的刀位规划、刀位计算方法等为核心内容，基于UG/CAM对整体叶轮的五轴数控加工刀具加工路径进行研究，主要内容包括:1.三元整体叶轮的数控加工工艺分析2.研究多坐标数